介绍光谱仪 - 探测器

在《光谱仪简介:狭缝》和《光谱仪简介:衍射光栅》两篇文章中讨论了入射光在像面上形成光谱像的入口狭缝和衍射光栅的意义。yabo214

在传统光谱仪（单色计）设计中，第二狭缝位于图像平面中，称为出口狭缝。通常，鉴于入口狭缝的宽度是光谱仪分辨率的限制因素之一，这种出口狭缝与入口狭缝相同。

在该配置中，元件检测器位于出口狭缝后面，然后旋转光栅以扫描横跨狭缝的光谱图像。因此，测量光的强度作为波长的函数。

在现代的光谱仪中，线性探测器和CCD阵列使之得以发展“固定光栅”光谱仪。当通过入射光击中CCD的像素时，每个像素代表电子设备可以使用给定强度转换和显示的频谱的一部分。

该开发使得可以在没有任何运动部件的情况下构建光谱仪，显着降低尺寸和功耗。紧凑的多元件探测器使得开发了一类新的低成本，紧凑型光谱仪，通常称为“微光谱仪”。

探测器类型

虽然有不同的方法来表征光电探测器，但最重要的区别是探测器的材料。Si和InGaAs是微型光谱仪中最常用的两种半导体材料。亚博网站下载

在设计分光计时，选择合适的检测器材料是很重要的，因为它的波长上限(λ_最大限度）由带隙能量检测到（E_差距)的半导体。λ_最大限度可以通过下面给出的关系来检测：

在那里,c是光速和h是板材的常数。

光速与普朗克常数的乘积可表示为1.24 eV•µm或1240 eV•nm，以简化能量与波长的转换。例如Si的禁带能为1.11 eV，对应的最大波长为1117.117 nm。

InGaAs是一种混合InAs和GaAs形成的合金，其能带能量分别为0.36 eV和1.43 eV。基于In和Ga比值的带隙能量可以在这两个值之间调节。

然而，由于各种因素的影响，并不是所有的In和Ga的比例都可以很容易地制备出来，因此InGaAs探测器阵列的标准配置是1.7µm(或0.73 eV)。扩展InGaAs阵列也可以用于检测2.6µm或2.2µm，但这些探测器不仅价格昂贵，而且比传统InGaAs探测器噪声更大。

要对一种材料的低检测限进行定量比较困难，因为它是由半导体材料的吸光度特性决定的，并且随探测器厚度的不同会有很大的不同。

通过将荧光涂层放置在检测器的窗口上，也可以降低检测器的检测限，然后将其吸收更高的能量光子并重新启动较低能量光子，随后被传感器检测到。图1中示出了作为InGaAs和Si（CCD）的波长函数的探测（D *）的比较。

图1所示。一些典型探测器的近似D*值作为波长的函数

CCD，BT-CCD和PDA

目前，InGaAs探测器阵列只能用于一种配置，但Si多元素探测器可用于三个不同的子类-背薄电荷耦合器件(bt - ccd)、电荷耦合器件(ccd)和光电二极管阵列(PDAs)。

CCD技术能够构建小像素尺寸(~14 μ m)的探测器，因为它消除了对单个像素直接读出电路的要求。为了实现这一点，电荷从一个像素转移到另一个像素，使得沿着阵列的所有信息都能从一个像素读出。

ccd是大多数微型光谱仪的理想选择，因为它们可以设计得相当便宜。然而，它们有两个缺点;首先，位于CCD前面的栅结构可以使入射光散射，这意味着它不会被吸收，其次，CCD需要一个相对较大的P-Si衬底，以缓解低成本生产，但这也限制了探测器的效率(特别是在更短的波长)，因为玩家的吸收。

bt - ccd提供了理想的选择，以缓解这些问题的光谱学应用，非常高的灵敏度需要。bt -CCD是通过将CCD的P-Si衬底蚀刻到大约10µm的厚度来设计的。这一过程不仅减少了吸收量，而且提高了探测器的整体效率。

另外，检测器也从后侧（P-Si区域）照射，从检测器表面上移除栅极结构的效果。图2描绘了后照射的BT-CCD和传统的前照射CCD之间量子效率的典型比较。

图2。前照CCD和后照CCD的典型量子效率

虽然在光谱学中使用bt - ccd有明显的好处，但也有两个关键的缺点需要考虑。首先，这一过程大大增加了生产成本，其次(因为探测器很薄)，由于探测器前后表面的反射，可能会造成标准尺寸效应。

虽然bt - ccd的耗损效应可以通过深度耗损过程缓解，但这将再次增加生产过程的成本。

PDA检测器是更传统的线性检测器，它包含一组使用CMOS技术以线性方式排列的单个光电二极管。虽然PDA探测器缺乏高灵敏度和小像素尺寸，但与BT-CCD和CCD探测器相比，它们提供了一些好处。

首先，不需要电荷转移，无需在探测器的前表面安装栅极结构，大大提高了读数速度。其次，PDA探测器的井深相对高于CCD探测器的井深——典型的PDA探测器的井深为~156,000,000e，而典型的CCD探测器的井深为~65,000e。

由于深度较大，PDA探测器具有极其线性的响应和非常大的动态范围〜50,000：1。这些属性使这些检测器适用于需要检测到诸如LED监视的小信号的小变化的应用。

概述

不同类型的探测器及其在微型光谱仪中所起的作用已在前面的章节中进行了讨论。然而，噪声源也同样重要，如果不涵盖这些因素以及如何通过TE冷却来减轻它们，探测器的讨论将是不完整的。

探测器噪音

读出噪声、固定图案噪声、暗噪声和散粒噪声是阵列探测器的主要噪声源。

读出噪声是由探测器输出级和相关电路中的电子噪声引起的，它主要决定了光谱仪的检测限。

射击噪声与入射在探测器上的光子数量的统计变化相关联，这遵循泊松分布。结果，射击噪声与事件光子通量的平方根成比例。

暗噪声与在暗态中产生的电子数的统计变化有关。即使在没有入射光的情况下，光探测器的输出也很小。这被称为暗输出或暗电流。

暗电流很大程度上依赖于环境温度，是由热产生的电子运动引起的。暗噪声与散粒噪声相似，也服从泊松分布;因此，暗噪声与暗电流的平方根成正比。

固定模式噪声是相邻像素间的光响应变化。这种变化很大程度上是由于在制造过程中薄膜厚度和孔径区域的不均匀造成像素之间的量子效率的变化。

阵列检测器的总噪声是这四个噪声源的根平方和。

Te冷却

降低暗噪声、提高动态范围和探测限的一种有效方法是通过内置热电冷却器(TEC)的阵列探测器进行冷却。对于硅探测器，当温度降低约5至7°C时暗电流减半，当温度升高约5至7°C时暗电流加倍。

图3示出了冷却和未冷却的CCD检测器的暗噪声，其集成时间为60秒。在室温下操作时，深噪声几乎使未冷却的CCD饱和。当CCD冷却至仅10°C时，暗噪声减小了大约两倍，暗电流减小了大约四倍。这使得CCD在更长的集成时间下操作以检测弱光信号。

当一个基于CCD的光谱仪用于非苛刻的高光电平应用，如LED测量，由于使用的相对较短的集成时间，由TE冷却引起的减小的暗噪声是最小的。

图3。冷却和未冷却CCD探测器暗电流(积分时间= 60 s)

一般来说，当CCD光谱仪的积分时间小于200 ms时，探测器工作在读噪声限制状态。因此，TE冷却并没有显著降低噪音;尽管在这些条件下的温度调节将有利于长期的基线稳定性。

该信息已从B&W Tek提供的材料中获取、审查和改编。亚博网站下载

有关此来源的更多信息，请访问黑与白Tek。